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    SIS安全聯鎖功能可用性分析
    作者:王秉義  張惠良  左信 《石油化工自動化》


    摘要:安全完整性等級(SIL)是衡量安全儀表系統(SIS)安全防護能力的重要指標,SIS的配置高,對裝置生產安全具有有效的防護能力。反之,雖然SIL等級滿足了安全要求,但由于誤停車率過高(可用性差),將使生產無法正常進行,而引起巨大的經濟損失。目前,SIS自動投用率普遍偏低,誤停車率高是其中一個主要原因。闡述運用馬爾可夫模型求解SIF平均誤停車時間間隔(MTTFS)指標和平均誤停車概率(PFS )指標,以實例說明在分析SIF中綜合考慮SIL和平均誤停車性能指標,對保障SIF的自動投用,提高生產安全保障能力的重要性。
    關鍵詞:安全儀表系統  安全儀表功能  可用性  誤停車率  安全完整性等級

     

        安全儀表系統(SIS)是裝置安全生產的重要保護層,其與DCS在可靠性與可用性要求方面具有不同的特點。DCS要求在可靠的前提下力求最大的可用度,以使操作員能對工藝過程進行靈活干預,從而保持生產過程平穩;SIS系統則要求在一定的可用條件下,尋求最大的可靠度,其時刻監視過程參數的變化,一旦超限,即采取系列動作以避免事故的發生,或遏制事故的發展。換言之,SIS的執行機構平時并不動作,只在有要求時,執行機構才執行安全要求規格書(SRS)所規定的動作。但配置SIS系統是一把雙刃劍,合理的系統配置(安全功能)是安全生產的一道有效保護墻,但不恰當的配置則會因高頻度的誤動作而引起頻繁停車,從而造成巨大的經濟損失。
        根據殼牌公司對安曼的一個LNG廠SIS系統配置調查,SIS安全功能的過度配置占67% 左右,如圖1所示。

     

    注:取消變送器78個;取消閥門14只;第一年節省費用大于100萬美元

        由此可見,不合理的SIS系統聯鎖配置不但增加了SIS系統的成本,而且也因誤動作而造成巨大經濟損失,提高了系統投資與維護成本。

    1、SIS安全聯鎖投用率偏低的原因分析

        目前SIS系統自動投用率普遍較低,通過對公司生產裝置所配備的SIS投用情況分析,可歸納為以下四方面因素:

    a)裝置聯鎖保護誤停車率高。導致誤停車的主要原因:

    1) 生產裝置普遍缺乏適時的風險評估。尤其是設計僅考慮裝置局部安全風險,沒有考慮對上下游裝置運行影響進行整體評估。對生產裝置進行風險評估,是核定SIS所需安全完整性等級(SIL)的基礎,應該綜合全局考慮。對風險的容忍程度與企業技術及管理水平、社會經濟發展水平、社會環保安全意識等密切相關。隨著社會經濟的發展,以及人們環保意識的提高,對安全要求越來越高。隨著企業生產技術水平與管理水平的不斷提高,對生產工藝的調整,使得對安全儀表功能(SIF)的SIL提出新的要求。然而,在役SIS自投用以來(或隨成套工藝包配置),其SIF的SIL一直未做調整,其SIF配置、聯鎖動作參數設置等方面難以保障當前裝置平穩、安全生產的實際需要。
    2) SIS普遍
    缺少SIF的SIL核算(安全風險、財產風險及環境風險)。目前,SIF的設計一般依據經驗選擇。首先,SIS一般缺乏儀表部件失效數據,如傳感器和執行機構(電磁閥、截斷閥等),由于資金等原因沒有選用具有SIL等級能力認證的儀表與執行機構;其次,雖在關鍵裝置上配備了SIS系統,但缺少對儀表可靠性數據的統計收集(經使用驗證的儀表用于SIS最具說服力,但缺少統計數據說明,僅憑感覺將缺乏可信度);其三,依據GB/T21109[4] 對SIF的SIL等級進行核算普遍缺失,雖然生產裝置配置了SIS系統,但并不能保證其具有相應的安全防護能力。
    3) 部分成套設備配套的儀表,其
    質量未能滿足SIS對儀表SIL等級能力的要求,可靠性差、使用壽命短,造成部分SIF不能投用。如實現大型加熱爐的進風控制,爐內溫度、風機及風門聯鎖的執行機構,其配置的閥桿的光潔度和硬度不如調節閥桿,并且在正常生產階段,該閥長期處于靜止狀態,出現生銹或漏氣現象。
    4) 受
    儀表安裝、維護質量的影響,如堵、漏、凍凝,以及材料質量問題,導致誤停車或在要求動作時無法動作。
    5) SIS中對安全聯鎖和一般工藝
    聯鎖沒有區分,使得SIF結構復雜,難以滿足SIL要求。
    6) 對SIF缺乏
    誤停車率指標核算。由于不合理的配置,雖然其SIL等級滿足設計要求,但其誤停車率偏高,導致SIS系統無法在實際中投用。

    b)大型轉動設備自保聯鎖,部分條件不能滿足投用條件,而無法投用SIF功能。其原因有:
    1) 原有
    老機組聯鎖邏輯不適應當前的安全規范要求,儀表配置比較低,其可靠性和穩定性差。
    2) 機組的
    聯鎖邏輯和設定值欠妥,生產廠家單純考慮機組設備本身,沒有綜合考慮其停機對裝置的影響,邏輯條件過于苛刻和嚴格。設計應整體考慮。比如將軸系儀表、軸振動、位移、軸瓦溫度、電機定子、轉子溫度等全部作為聯鎖停機條件,并將潤滑油溫度不低于30℃作為機組的啟動條件,但在東北地區很難滿足這一條件,尤其在冬天。
    3)
    配套儀表出廠時的安裝、配置存在不足,且后續難以修改。如大機組軸瓦溫度傳感器基本上都是安裝于機殼內的埋入式鉑電阻,其引線極易斷。若引線開路,其輸出超過報警值,將引起聯鎖誤動作停機。壓縮機的振動探頭、位移傳感器探頭安裝也存在類似問題。
    4) 機組的
    部分工藝條件難以達到聯鎖條件,如汽輪機出口壓力,其與蒸汽管網相連,單一機組不能改變其出口壓力參數,致使相應的SIF無法投用。
    5)
    儀表的安裝與維護質量影響SIF的投用。如軸瓦測溫熱電阻的安裝工藝、軸振動與位移探頭的安裝間隙、接線等不合適,都將引起測量偏差,而引發聯鎖誤動作。

    c)SIS的維護周期與質量不能滿足SIF的可靠性要求。電子器件的可靠使用壽命一般為10~12年,隨著使用年限的加長,儀表的失效率將增加。另外,由于設備改造,SIS也需進行擴容。為保證SIF的SIL等級要求,需對SIS進行定期維護和檢修(SIS系統部件檢修時間間隔直接影響SIF的SIL等級水平) 。在生產裝置正常運行過程中,可通過“旁路”臨時切除聯鎖條件(在切除時應有一套規范和措施以保證SIF的安全),并定期對傳感器與執行機構進行必要的維修、檢定與維護。目前,一次儀表與執行機構,尤其是執行機構在正常生產運行期間沒有機會檢修(沒有旁路設置),
    因缺少及時的維護,SIF回路的可靠性難以保證。

    d)SIS報警缺乏層次,故障報警較多,易引起操作員麻痹,導致誤操作。如多機組SIS系統,在備用機組停機、油系統或出人口閥門處于關停狀態時,由于備用機組處于非正常運行位置,SIS系統就會出現報警。這些報警沒有層次與級別區分,致使報警過多,容易導致操作人員對關鍵報警信息的疏忽。

    2 、SIF回路可用性分析

    綜合以上對目前SIS低投用率的情況分析,主要問題有:
    a)
    少適時的SIF的SIL等級需求評估。當前SIS的SIF配置一般都是依據經驗配備,但同一套裝置在不同的企業中,其附加的安全防護能力并不相同(如泄壓閥、空間距離、遠程監控能力等)。由于缺少對SIF的SIL要求的明確定級,加上大部分SIS不只用于安全聯鎖目的,而且考慮方便設備重啟等問題,將一般工藝聯鎖也配置其中。因此,聯鎖結構比較復雜,難以明確了解實際安全聯鎖的SIL等級是否滿足要求。

    b)
    少SIF的SIL等級和誤停車率核算。
    目前配置SIS時,主要關心其控制器的SIL能力:傳感器和執行機構的失效率對SIL等級的影響更大(一般在70 %以上),而傳感器和執行機構往往又缺少有效的數據支持,使得SIF的SIL等級未能滿足裝置安全防護能力要求,起不到應有的安全保護作用;或者雖然其SIL等級滿足裝置安全要求,但其誤停車率過高,影響SIS的實際投用;或雖投用,但會因頻繁的誤停車而造成巨大的經濟損失。

    c)對SIF的功能安全管理
    缺少有效的監控。
        SIS對裝置的安全防護能力由系統的隨機性失效(SIL等級核算驗證)和系統性失效共同決定。目前對SIF的隨機性失效的驗證比較普遍[7]。隨著GB/T 21109安全儀表功能安全標準的推廣與采用,對系統性失效的考核與控制將進一步加強。系統性失效主要由制造缺陷或不足(如上述的振動探頭故障、聯鎖邏輯不妥、聯鎖參數設置不合理、報警重要性層次不分明等)引起。由于系統性失效難以量化處理,只能運用嚴格的SIF的功能安全管理規范加以避免和減少(另文闡述)。由此可見,在SIS系統SIF分析中,必須同時考核SIF的SIL等級和誤停車性能指標,才能保證SIS系統的有效投用。
    針對SIS存在的主要問題,筆者以圖2~3所示SIF為例,探討采用馬爾可夫模型進行SIF可用性分析,考核驗證SIF、的SIL和誤停車率指標(MTTFS和PFS avg )。依據分析結果,提出合理化建議,以提高SIS系統的投用率,保障對生產裝置的防護能力。

     


     


    該SIF設計為失電使能(停電時,執行機構置于安全狀態,即事故安全型),且各傳感器檢測回路和執行機構回路具有在線診斷能力。由于系統具有旁路設置和冗余配置,當在線檢測出故障后,可在線維護與更換,檢修時間平均為8 h。SIS的整體測試間隔與設備大修周期同步,為3年。該SIF的SIL等級需求為SIL2,其各組成部分的失效數據見表1所列。
     

    馬爾可夫模型具有動態分析失效概率的能力,上述SIF馬爾可夫模型如圖4所示,其中狀態1為初始完好狀態;狀態2為安全失效(誤停車)狀態;狀態3為危險失效狀態(對安全要求的動作沒有響應);其余狀態4~19為存在一路檢測傳感器或執行機構失效,且SIF還能執行相應安全功能的中間狀態。處于中間狀態時,若出現進一步的故障,將使SIF系統進入安全失效或危險失效狀態。由于失效率都很小,為簡化運算,建模時不考慮級聯失效(如一路溫度傳感器失效后又出現一路壓力傳感器失效,但SIF還能執行其要求的功能的情況)對計算精度的影響。
     

    馬爾可夫狀態轉移率為
     






     

    式中:λ——失效率;上標首字母S, D——安全失效和危險失效;上標第二字母D,U——可檢測不可檢測;下標S1,S2,S3,S4,A1,A2,L,PS——流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、液位傳感器、電磁閥、截斷閥、邏輯控制器和電源。根據上述狀態轉移率,得到馬爾可夫轉移矩陣為:
     


        MTTFS求解方法[8]為將轉移矩陣P中對應吸收狀態(FS和FD)的行和列去掉,形成新矩陣Q,并在狀態轉移率公式中,將危險失效率置零,求出截陣Qs ,并依據下式求矩陣N。
     

    N =(I-Qs) -1

        N提供了系統由起始狀態開始,經歷了每一個成功狀態(暫態)后的總時間增量。N矩陣中,第一行表示起始于完好狀態l的總時間增量。假設馬爾可夫模型的時間步長選為1 h,則MTTFS為矩陣N第一行元素的和。
        利用建立的馬爾可夫模型(運用ISOgraph Reliability Workbench 10.2軟件平臺)和狀態轉移矩陣P進一步求解PFDavg 、平均誤停車失效概率PSFavg 和MTTFS。分析計算結果見表2和圖5~6所示。




     

        由分析可見,此SIF的MTTFS為1.15 a。雖然該SIF不論在維護檢修時間間隔為1 a還是3 a時,其SIL等級都能滿足設計要求(SIL2),但3 a的檢修時間間隔是不能接受的,因其過大的誤停車概率將引起SIS的頻繁誤停車,造成巨大的經濟損失,而使系統無法實際投用。因此,對于一般企業規劃的3 a大修時間問隔,必須重新分析考核,在滿足SIF的SIL等級要求的前提下,達到相應的MTTFS和PFS 指標要求,才能有效發揮SIS在企業安全生產中的安全防護作用。

    3 結束語
        造成SIS系統投用率低的
    原因是多方面的,但其可用性差是重要原因之一。在設計SIS或在役SIS安全性能評估中,需關注以下三個方面:
    a)
    適時的風險評估,核定SIF的SIL等級要求,并根據檢修時間間隔和誤停車對生產的影響,核定SIF的PFS 和MTTFS指標要求。
    b) 區分SIF聯鎖回路和一般工藝聯鎖,
    區分報警層次級別。
    c) 定期核查SIF回路的SIL等級和PFS 與MTTFS指標,在保證SIF具有足夠安全防護能力的同時,具有足夠的可用性,以提高SIS系統的投用率,防止系統頻繁誤動作,從而有效提高SIS的防護能力。


    參考文獻(略)
     


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